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64 ciencia • octubre-diciembre 2004 “apareamiento” de varios hongos de importancia biológica, co- mercial, agrícola o científica. El conocimiento de la estructura y función de dichos genes nos llevará a comprender mejor el proceso reproductivo, así como la evolución de las poblaciones de estos organismos. LA REPRODUCCIÓN SEXUAL De todos los grupos de hongos, el más numeroso y complejo es el de los llamados ascomicetos. Este grupo incluye formas unice- lulares, como las levaduras (que se usan en la elaboración de cerveza y vino), formas filamentosas, como los mohos (como el que se ve en el pan viejo) y formas más conspicuas, capaces de generar cuerpos fructíferos visibles, como algunos tipos de setas (del género Morchella) y trufas (del género Tuber), que son co- mestibles y muy apreciadas como exquisiteces. Entre los asco- micetos se encuentran hongos parásitos de plantas o de anima- les, hongos de importancia industrial (como en la producción de quesos y bebidas fermentadas) y farmacéutica (en la produc- ción de antibióticos), y muchos otros más. os hongos son seres vivos muy particulares, diferentes de las plantas y los animales, por lo que se les ubica en el reino Fungi. Sus características morfológicas, fisiológicas y ge- néticas los hacen distintos de otros organis- mos, y han fascinado a los científicos desde hace cientos de años. Su proceso reproducti- vo, que puede ser sexual o asexual, se realiza a través de esporas o vegetativamente (a través de fragmentos o “retoños”). La reproducción sexual obedece a una serie de factores genéti- cos y químicos que determinan la compatibili- dad reproductiva entre dos individuos de la misma especie; de manera similar, en los hu- manos, dicha compatibilidad está dada por los cromosomas sexuales (X y Y). Recientemente, gracias al creciente impulso de la biología mo- lecular, se han logrado aislar y se están carac- terizando los genes responsables del proceso de Comunicaciones libres La vida sexual de los hongos (y su clave molecular) El estudio de la compatibilidad de los genes de los hongos y su proceso reproductivo, nos lleva al conocimiento de los hongos patógenos, es- pecialmente el agrícola, de sumo interés para el ser humano. Laura Conde Ferráez, Blondy Canto Canché y Andrew James L octubre-diciembre 2004 • ciencia 65 La reproducción sexual de los ascomicetos se lleva a cabo por la unión de dos células reproductivas (o gametos), considerados masculino y fe- menino, de manera similar a lo que ocu- rre en plantas y animales. A grandes rasgos, al unirse los núcleos de estas dos células se inicia la formación de un cigoto (o huevo) y la producción sub- secuente de esporas sexuales, llamadas ascosporas. Éstas germinarán de manera simi- lar a las semillas y darán lugar a nuevas hifas (los filamentos que forman al hongo). Sin em- bargo, el proceso no es del todo simple: aunque am- bas estructuras reproductivas, masculina y femenina, sean producidas en el mismo cuerpo del individuo (llamado talo), no siempre puede llevarse a cabo la fecundación y producción de ascosporas. ¿A qué se debe esto? Los hongos denominados homotálicos son autocompatibles, es decir, capaces de autofecundarse y producir ascosporas. Por otra parte, los hongos llamados heterotálicos son más complicados: algunos presentan únicamente órganos femeninos o masculi- nos, mientras que otros pueden presentar ambos órganos en el mismo talo, y sin embargo necesitan la presencia de otro in- dividuo compatible para poder llevar a cabo la reproducción sexual. Son por ello autoestériles. La compatibilidad reproducti- va está determinada por el “grupo o tipo de apareamiento” (ma- ting type) que poseen los individuos en cuestión, como se expli- cará más adelante. Por lo tanto, el “sexo” del hongo es algo más que producir estructuras femeninas o masculinas; involucra también un pro- ceso de compatibilidad entre las células reproductoras que se van a fusionar. Para hacer una comparación, no es suficiente que dos seres humanos sean del sexo opuesto para que se ena- moren y se casen, sino que tiene que haber una compatibilidad de caracteres: gustos, aficiones, educación y muchos otros fac- tores más que entran en juego. Pues bien, aunque los hongos no se enamoran, existen factores que los hacen compatibles o in- compatibles (el grupo de apareamiento), a pesar de que ambos sexos estén presentes. Pero, ¿qué determina que los hongos homotálicos sean au- tofértiles, mientras que los heterotálicos son autoestériles y necesitan buscar una “pareja compatible”? Para entender este fenómeno es necesario explicar en qué consiste el principal factor que determina esta compatibilidad: el grupo de aparea- miento. Vida sexual de los hongos El “sexo” del hongo es algo más que producir estructuras femeninas o masculinas; involucra también un proceso de compatibilidad entre las células reproductoras que se van a fusionar 66 ciencia • octubre-diciembre 2004 color de una flor puede tener varios alelos y producir varias pre- sentaciones: rojo, amarillo o blanco. En los ascomicetos sola- mente hay dos alelos (pero no se les llama así porque las se- cuencias de ambos genes MAT son muy diferentes, y parece ser que no tienen relación entre sí). Además, puede haber más de un solo gen en el locus MAT. Por todo esto se les llama idiomor- fos, y no alelos. Los idiomorfos son secuencias de ácido desoxirribonucleico (ADN) completamente diferentes que pueden ocupar el mismo sitio en el genoma (locus). Los idiomorfos pueden o no ser mu- tuamente excluyentes, es decir, pueden presentarse juntos, co- mo en el caso de los hongos homotálicos, o presentarse sola- mente uno de ellos, como en los hongos heterotálicos. Desde su descubrimiento, los idiomorfos MAT han sido llamados de for- mas muy diferentes, lo cual ha complicado su nomenclatura. En Saccharomyces cerevisiae, la levadura de cerveza, se les llamó idiomorfos a y α (alfa) (Hicks y colaboradores, 1979). En Neu- rospora crassa, el moho rosado del pan, se les denominó idio- morfos A y a (Glass y colaboradores, 1990; Staben y Yanofsky, 1990), mientras que en el hongo patógeno de plantas Podospo- ra anserina, se les denominó idiomorfos mat– y mat+, respecti- vamente. En trabajos posteriores se adoptó la nomenclatura MAT-1 y MAT-2; o también llamados MAT1-1 y MAT1-2, co- mo se utiliza para las diferentes especies de Cochliobolus (pató- genos del maíz, de la avena y otras plantas), al igual que para el género Mycosphaerella (patógenos del trigo, banano, maíz y otros), y las especies de Gibberella, productoras de toxinas que contaminan los alimentos. Los genes del idiomorfo MAT1-1 de hongos de diferentes especies son homólogos entre sí, y sus secuencias son compara- bles. Lo mismo ocurre con MAT1-2. Dado que los loci (plural de locus) MAT1-1 y MAT1-2 no comparten homología en sus secuencias, aun en la misma especie, podrían haber evolucio- nado independientemente. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES MAT Mediante mutaciones se logró suprimir completamente la ex- presión del idiomorfo y se observó que los genes del locus MAT determinan la compatibilidad, y no la capacidad de producir es- tructuras reproductoras. Estos mutantes, llamados mat0, fueron capaces de producir estructuras reproductoras masculinas y fe- meninas, o ambas, pero no lograron reproducirse ni con hon- gos mat+ ni con mat–. Por lo tanto, no fueron capaces de dar lugar a esporas sexuales (Aranaise y colaboradores, 1993). LA BASE MOLECULAR DE LA COMPATIBILIDAD Gracias a los avances de la biología molecular, se han logrado aislar los genes que determinan el grupo de apareamiento y, por lo tanto, la compatibilidad reproductiva. Se ha determi- nado la existencia de un locus (un sitio parti- cular del genoma en donde se localiza un gen o un grupo de genes) involucrado en la deter- minación del grupo de apareamiento. Por ello se le llamó locus MAT (por “mating type”). En el caso muy particular de los ascomice- tos, se presentandos formas alternativas: dos “grupos de apareamiento”. A las formas alter- nativas de un gen se les llama comúnmente alelos; así, por ejemplo, el gen que determina el Comunicaciones libres A las formas alternativas de un gen se les llama comúnmente alelos; así, por ejemplo, el gen que determina el color de una flor puede tener varios alelos y producir varias presentaciones: rojo, amarillo o blanco Sin embargo, no siempre se tiene la suerte de encontrar una pareja compatible. Así, para poder llevar a cabo la reproducción sexual, hay quienes cambian de “sexo”, como las leva- duras. Además, otra alternativa para los hon- gos solitarios es la reproducción asexual. EL CAMBIO DE SEXO EN LAS LEVADURAS Las levaduras, en sus formas silvestres, son ca- paces de cambiar de grupo de apareamiento, de manera que siempre pueda realizarse la re- producción sexual. Esto es posible gracias a que las levaduras poseen dos versiones incom- pletas de los genes MATα y MATa, llamados respectivamente HMLα y HMRa. Estos genes se encuentran silenciados o “apagados”, por lo que no funcionan a menos que se dé el proceso del cambio de “sexo”. Dicho fenómeno ocurre cuando la versión silenciada de MATa reem- plaza a MATα, cambiando de tipo de aparea- miento (Figura 2). Lo mismo sucede cuando la versión silenciada de MATα reemplaza a MATa. Ambos idiomorfos están flanqueados por secuencias de ADN idénticas entre cromosomas homólogos (Figura 1). En al- gunas especies de ascomicetos se descubrió que el idiomorfo MAT1-2 incluye tres genes que producen tres proteínas dife- rentes, mientras que el locus MAT1-1 únicamente presenta un gen. Los productos de estos genes, es decir, las proteínas, están involucradas en la regulación de otros genes relacionados con el proceso de reconocimiento y fusión de los gametos. Las pro- teínas producidas por los genes de ambos idiomorfos tienen la capacidad de unirse al ADN. Uno de estos sitios (llamado HMG, por sus siglas en inglés “High Mobility Group”) es muy impor- tante, pues también se encuentra en la proteína humana, lla- mada SRY, la cual es uno de los factores que determinan el se- xo en el ser humano. IDENTIFICACIÓN DE LA COMPATIBILIDAD En el laboratorio es posible determinar el grupo de apareamien- to de hongos heterotálicos utilizando técnicas de biología mo- lecular, como la reacción en cadena de la polimerasa. Esta téc- nica permite identificar directamente los idiomorfos. Esto es muy útil cuando se quieren realizar cruzas para efectuar estudios poblacionales o genéticos. Otra forma de determinar si dos lí- neas son compatibles es por ensayo y error: al poner en contac- to una serie de líneas con muchas otras, se registra la presencia o ausencia de ascosporas. ¿Cómo son capaces los hongos de identificar qué idiomorfo poseen sus vecinos? Los hongos han desarrollado estrategias pa- ra reconocer a sus parejas potencialmente compatibles. Una de ellas es la producción de feromonas, controlada por el locus MAT. Las feromonas son sustancias que se liberan al ambiente y se unen a un receptor de la membrana de las células, el cual sólo reconoce a la feromona producida por el grupo de aparea- miento opuesto. Esto desencadena una serie de reacciones que activan los genes involucrados en la fusión de las células y de sus núcleos. octubre-diciembre 2004 • ciencia 67 Vida sexual de los hongos ADN conservado MAT1 ADN conservado ADN conservado MAT2 ADN conservado ADN conservado MATa-1 MATa-2 ADN conservado a. b. c. Figura 1. Disposición del locus MAT, mostrando las re- giones de ADN conservado (invariable), las cuales se en- cuentran a ambos lados del idiomorfo en los cromoso- mas homólogos. (a) Corresponde al idiomorfo MAT1 en los hongos heterotálicos; (b) corresponde al idiomorfo MAT2 en los hongos heterotálicos, y (c) la configura- ción de los idiomorfos MAT en los hongos homotálicos, los cuales contienen ambos idiomorfos en el mismo in- dividuo. 68 ciencia • octubre-diciembre 2004 EL FUTURO Las investigaciones de los genes MAT podrían ser de gran uti- lidad para los estudios de evolución. En especies de Cochliobo- lus se ha descubierto, por análisis de las secuencias de los loci MAT, que el homotalismo es derivado del heterotalismo (Yun y colaboradores, 1999), y no al contrario. Además, en especies que no tienen reproducción asexual, como Candida glabrata, se han encontrado regiones similares al locus MAT, y genes invo- lucrados en la meiosis y producción de feromonas, lo cual su- giere la posibilidad de que posea una etapa sexual, aunque ésta no ha sido descubierta (Wong y colaboradores, 2003), o que al- guna vez la tuvo. El estudio de los genes involucrados en la compatibilidad llevará con seguridad a un mejor conocimiento de los procesos reproductivos de los hongos. Además, los hongos patógenos son de especial interés agrícola y biológico. En este sentido, en la Unidad de Biotecnología del Centro de Investigación Cien- tífica de Yucatán (CICY), nosotros estamos interesados en aislar fragmentos de los genes MAT del hongo Mycosphaerella fijien- sis, patógeno del plátano. Éste es un trabajo inicial en nuestro país, y en un futuro tendrá utilidad en estudios poblacionales y genéticos de este hongo. Comunicaciones libres HML α MATa HMR a MATa HMR a HML α α HMR a HML α HML α Figura 2. Proceso de cambio de sexo en las levadu- ras. El idiomorfo es inactivo y se define cuando la caja HMLα o HMRa se duplica y sustituye la caja (según el caso; a reemplaza a α y viceversa). Ejemplificación del cambio de MATa a MATα: (a) Cuando la levadura es de fenotipo a (expresa MATa). Las versiones incompletas HML y HMR de ambos idiomorfos están presentes, pero no son activas. (b) El cambio ocurre cuando la versión silenciosa HMLα se duplica y reemplaza a MATa. Por lo tanto, el fenotipo de la levadura cambia de ser a a ser α (c), mediante la activación de la copia silenciosa al ocupar el locus MAT. a. b. c. octubre-diciembre 2004 • ciencia 69 Andrew James nació en Manchester, Inglaterra, en 1948. En 1987 obtuvo un grado en Horticultura en el Wye College de la Universidad de Londres. Ahí mismo obtuvo el grado de doctor en Ciencias en 1994, siendo su campo de estudio la biología del desarrollo de plantas leñosas. De 1994 a 1995 hizo un pos- doctorado en la Universidad de Minnesota, y desde diciembre de 1995 ha trabajado como investigador en el Centro de In- vestigación Científica de Yucatán. Actualmente encabeza el grupo de investigación del banano y plátano en el laboratorio de Biotecnología Molecular de la Unidad de Biotecnología. andyj007@cicy.mx Agradecimientos Los autores quisieran expresar su agradecimiento a la Dra. Cecilia M. Rodríguez y al Dr. José Luis Andrade, por sus revisiones y comentarios. Bibliografía Aranaise, S., D. Zickler y L. Glass (1993), “Heterologous expression of mating type genes in filamentous fungi”, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 90, 6616-6620. Glass, N. L., J. Grotelueschen y R. L. Metzenberg (1990), “Neurospora crassa A mating-type region”, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 87, 4912-4916. Hicks, J., J. N. Strathern y A. J. S. Klar (1979), “Transposable mating types genes in Saccharomyces cerevisiae”, Nature 282:478-483. Kronstad, J. W. y C. Staben (1997), “Mating type in filamentous fun- gi”, Annual Reviews on Genetics, 31, 245-276. Staben, C. y C. 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Turgeon (1999), “Evolution of the fungal self-fertile reproductive life style from self-sterile ancestors”, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 96, 5592-5597. Laura Conde Ferráez nació en Mérida en 1978. Es egresada de la licenciatura en Biología de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad Autó- noma de Yucatán. Realizó su trabajo de tesis de licenciatura en el Centro de Inves- tigación Científica de Yucatán (CICY), donde actualmente cursa el doctorado en Cien- cias y Biotecnología de Plantas. Sus intereses de investigación están orientados a la biología molecular en hongos patógenos de plantas. lauracf@cicy.mx Blondy Canto Canché nació en Mérida, Yucatán, en 1965. Es químico biólogo broma- tólogo de formación, por la Universidad Autónoma de Yucatán. A partir de 1988 la- bora en el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY). En 2000 concluyó sus estudios de doctorado en el CICY, en el cual desarrolló una tesis sobre la regulación de un complejo enzimático que participa en el metabolismo secundario. A partir de 2001 trabaja en el laboratorio de biotecnología molecular, específicamente en la ge- nómica de M. fijiensis y banano. cantocanche@cicy.mx Vida sexual de los hongos